Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I2 в ветви 2, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.
Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите ток IR1 через R1 в направлении стрелки.
Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±13 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = 0,5 V. Через какое время после t = 0 выход достигнет насыщения? Найдите t.
Vin = 0,5 VR = 22 kΩC = 1 µFVsat = ±13 V
t = ms
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 10 ms, в mJ.
Vs = 15 VR = 47 ΩL = 220 mHt = 10 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 12 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 7,58 V, ровно через 10 ms после старта. При C = 1 µF найдите необходимое сопротивление R.
Vs = 12 VVth = 7,58 VT = 10 msC = 1 µF
R = kΩ
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,9615 A
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R3 + R4 = 20 + 12 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 8·32/(8+32) = 6,4 Ω
Req = R1 + 6,4 = 4 + 6,4 = 10,4 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/10,4 = 0,9615 A
Ответ
IR1 = 0,9615 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 16,53 Ω
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R5 + R6 = 30 + 12 = 42 Ω
R4 ∥ 42 = 4,468 Ω
R3 + 4,468 = 10,47 Ω
R2 ∥ 10,47 = 4,535 Ω
Req = R1 + 4,535 = 12 + 4,535 = 16,53 Ω
Ответ
Req = 16,53 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: I2 = −0,06977 A
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
ЗТК в узле A
Примите нижний провод за землю. Каждая ветвь проводит ток (VA − Vk)/Rk, вытекающий из A, где Vk — напряжение её источника (ноль для простого резистора). Сумма токов, вытекающих из A, равна нулю.
(VA − 12)/2 + (VA − 10)/20 + (VA − 10)/6 = 0
Находим VA
VA = (12/2 + 10/20 + 10/6) / (1/2 + 1/20 + 1/6) = 8,167/0,7167 = 11,4 V
Ток ветви
Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.
I2 = (10 − VA)/R2 = (10 − 11,4)/20 = −0,06977 A
Ответ
I2 = −0,06977 A
Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR1 = 0,1962 A
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
Образуем супер-узел
Через источник напряжения между A и B течёт неизвестный ток, поэтому ЗТК нельзя записать отдельно для A или B. Объедините A, B и источник в один супер-узел: втекающий в него ток равен вытекающему.
VB = VA + 10
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Решите
(VA − 9)/2 + VA/8 + (VA + 10)/30 = 1,5
VA·(1/2 + 1/8 + 1/30) = 1,5 + 9/2 − 10/30 = 5,667
VA = 5,667/0,6583 = 8,608 V
VB = 18,61 V
Ток через R₁
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (9 − 8,608)/2 = 0,1962 A
Ответ
IR1 = 0,1962 A
Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.
5.Метод контурных токов
Ответ: IR1 = 0,4063 A
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.
ЗНК для контура 1
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
20·I1 + 2(I1 − I2) = 12
22·I1 − 2·I2 = 12
ЗНК для контура 2
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
4·I2 + 2(I2 − I1) = (−10)
−2·I1 + 6·I2 = −10
Решите
Δ = (22)(6) − (−2)(−2) = 128
I1 = Δ1/Δ = 52/128 = 0,4063 A
I2 = Δ2/Δ = −196/128 = −1,531 A
Ответ
IR1 = I1 = 0,4063 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: IR5 = 1,63 A
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2, I3. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.
ЗНК для контура 1
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
5·I1 + 30(I1 − I2) = 30
35·I1 − 30·I2 = 30
ЗНК для контура 2
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
4·I2 + 30(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 46·I2 − 12·I3 = 0
ЗНК для контура 3
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
5·I3 + 12(I3 − I2) = (−24)
−12·I2 + 17·I3 = −24
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 7030
I1 = Δ1/Δ = 10500/7030 = 1,494 A
I2 = Δ2/Δ = 5220/7030 = 0,7425 A
I3 = Δ3/Δ = −6240/7030 = −0,8876 A
Ответ
IR5 = I2 − I3 = 1,63 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: VR4 = 24,23 V
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Случай 1 · действует только V1
Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.
R3+R4 = 4+20 = 24 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·24/(20+24) = 10,91 Ω
VA = 30·10,91/(8+10,91) = 17,31 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 17,31·20/24 = 14,42 V
VR4′ = VB − 0 = 14,42 − 0 = 14,42 V
Случай 2 · действует только Is
V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ параллелен R₂. Iₛ в точке B делится между R₄ и путём через R₃.
R1 ∥ R2 = 8·20/(8+20) = 5,714 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 9,714 = 6,538 Ω
VB = Is·Req = 1,5·6,538 = 9,808 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 9,808·5,714/9,714 = 5,769 V
VR4″ = VB − 0 = 9,808 − 0 = 9,808 V
Сложите составляющие
VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = 14,42 + 9,808 = 24,23 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
8.Метод наложения
Ответ: VR3 = 8,077 V
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Случай 1 · действует только V1
V₂ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. Со стороны A резистор R₃ параллелен последовательной паре R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 10 ∥ 12 = 5,455 Ω
VA = 30·5,455/(30+5,455) = 4,615 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,615·6/12 = 2,308 V
VR3′ = VA − 0 = 4,615 − 0 = 4,615 V
Случай 2 · действует только Is
Оба источника напряжения становятся короткими замыканиями. Iₛ в точке B делится между R₄ (теперь к земле) и R₂, последовательным с R₁ ∥ R₃.
R1 ∥ R3 = 7,5 Ω, поэтому левый путь — R2+7,5 = 13,5 Ω
Req = R4 ∥ 13,5 = 4,154 Ω
VB = Is·Req = 4·4,154 = 16,62 V
VA = VB·7,5/13,5 = 9,231 V
VR3″ = VA − 0 = 9,231 − 0 = 9,231 V
Случай 3 · действует только V2
V₁ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. R₁ ∥ R₃ отходит от A, последовательно с R₂ обратно к B.
R1 ∥ R3 = 30·10/(30+10) = 7,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−15)·13,5/19,5 = −10,38 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −10,38·7,5/13,5 = −5,769 V
VR3‴ = VA − 0 = −5,769 − 0 = −5,769 V
Сложите составляющие
VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = 4,615 + 9,231 + (−5,769) = 8,077 V
Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 6,667 V
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 2·4/(2+4) = 1,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,333 + 2 = 3,333 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, через R₃ ток не течёт, поэтому падения на нём нет и V_b = V_A. R₁ и R₂ образуют делитель напряжения.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 10·4/(2+4) = 6,667 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 0,01596 A
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 3 = 6,333 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, Iₛ может течь только через R₃ в узел A. Найдите V_A наложением V₁ и Iₛ, затем прибавьте падение на R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 10 + (−1,5)·3,333 = 5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5 + (−1,5)·3 = 0,5 V
Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина
Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.
IL = Vth/(Rth + RL) = 0,5/(6,333 + 25) = 0,01596 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: V− = 1,154 V
Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.
Напряжение на входах
Через R₃ и R₄ течёт один и тот же ток, поэтому они образуют делитель напряжения; обратная связь обеспечивает V₋ = V₊.
Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.
Входной ток и скорость нарастания
kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.
RC = 22 kΩ · 1 µF = 22 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −0,5/22 = −0,02273 V/ms
Время до насыщения
|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 13·22/0,5 = 572 ms
Ответ
t = 572 ms
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W = 8,714 mJ
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Постоянная времени и конечный ток
Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.
τ = L/R = 220 mH / 47 Ω = 4,681 ms
i(∞) = Vs/R = 15/47 = 0,3191 A
Ток в заданный момент
i(t) = 0,3191·(1 − e−10/4,681) = 0,2815 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·220·0,2815² = 8,714 mJ
Ответ
W = 8,714 mJ
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: R = 10,01 kΩ
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.